СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01L1/12 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к определению механических напряжений, преимущественно интенсивности напряжения, в изделиях из ферромагнитных материалов путем измерения изменения магнитных свойств последних, и может быть использовано в машиностроении, газовой промышленности, других отраслях для неразрушающего контроля механических (например, остаточных сварочных) напряжений.

Известен способ определения механических напряжений, который заключается в том, что на контролируемое изделие устанавливают преобразователь, содержащий два взаимоперпендикулярных накладных электромагнита, один из которых намагничивающий, а другой - измерительный, подают на намагничивающий электромагнит намагничивающий сигнал, снимают с измерительного электромагнита преобразованный сигнал, определяют измеряемую величину сигнала путем фазочувствительного измерения преобразованного сигнала и по значению измеряемой величины сигнала судят о механических напряжениях (авт.св. СССР N 111331, МКИ G 01 n 27/86, G 01 r 33/02, 1957).

Недостатком данного способа является низкая точность измерений вследствие сильного влияния неконтролируемых параметров (изменения структуры материала, химического состава, термической обработки, немагнитного зазора между полюсами и поверхностью контролируемого изделия и др.).

Наиболее близким к заявляемому является способ определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов и устройство для его осуществления, где в способе устанавливают преобразователь трансформаторного типа на эталонный образец, изготовленный из того же материала, что и контролируемое изделие, ориентируют его на образце, ступенчато нагружают его в продольном направлении, намагничивают материал образца в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o и 45^o, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания после каждой ступени нагружения, определяют градуировочный коэффициент, устанавливают преобразователь на контролируемое изделие, ориентируют намагничивание материала изделия в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o и 45^o, причем намагничивание по направлениям осуществляют одновременно двумя переменными магнитными полями, различающимися по частоте и равными по напряженности, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания, по которому судят о величине интенсивности напряжения; а устройство содержит магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде восьмилучевой центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, расположенных под углами 0^o, 45^o, 90^o, 135^o, на полюсах которых расположены обмотки возбуждения и измерения, причем обмотки возбуждения расположены на магнитопроводах, находящихся под углом 0^o и 45^o, и подключены к блоку питания, выполненного в виде двух переменных напряжений, различающихся по частоте, а каждая из обмоток измерения подключена через свой полосовой фильтр к соответствующему фазовому детектору, которые в свою очередь подключены к блоку обработки и измерения сигналов, кроме того, вход каждого из полосовых фильтров подключен к измерительной обмотке соответствующего магнитопровода, расположенного по углом 90^o к П-образному магнитопроводу с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику переменного напряжения, частота которого соответствует частоте данного полосового фильтра, при этом вторые входы фазовых детекторов подключены к соответствующему источнику питания (авт.св. СССР N 1670437, МКИ G 01 L 1/12, 1991).

Изобретение по указанному авторскому свидетельству может быть выбрано в качестве прототипа как для способа, так и для устройства, так как содержит следующие признаки, общие с заявляемым изобретением.

Для способа: операцию установки на эталонный образец магнитоупругого преобразователя трансформаторного типа, ориентацию его на образце, ступенчатое нагружение образца в продольном направлении, намагничивание материала образца в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o и 45^o, фиксацию выходного сигнала после каждой ступени нагружения, определение градуировочного коэффициента, установку преобразователя на контролируемое изделие, ориентацию намагничивания материала изделия в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o и 45^o, намагничивание по направлениям одновременно двумя переменными магнитными полями, различающимися по частоте и равными по напряженности, фиксацию выходного сигнала преобразователя в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания, по которому судят об интенсивности напряжения.

Для устройства: наличие магнитоупругого преобразователя, выполненного в виде восьмилучевой центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, расположенных под углами 0^o, 45^o, 90^o, 135^o, на полюсах которых расположены обмотки возбуждения и измерения, блока питания, выполненного в виде двух переменных напряжений, различающихся по частоте, двух полосовых фильтров, двух фазовых детекторов и блока обработки и измерения сигнала, расположения обмоток возбуждения на магнитопроводах под углами 0^o и 45^o, подключение каждой из обмоток измерения через свой полосовой фильтр к соответствующему фазовому детектору, которые в свою очередь подключены к блоку обработки и измерения сигналов, подключение входов каждого из полосовых фильтров к измерительной обмотке соответствующего магнитопровода, расположенного под углом 90^o к П-образному магнитопроводу с обмоткой возбуждения, которая подключена к источнику переменного напряжения, частота которого соответствует частоте данного полосового фильтра, подключение вторых входов фазовых детекторов к соответствующему источнику питания.

Недостатком прототипа по способу и по устройству является низкая точность определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов. Реализация определения механических напряжений по способу-прототипу с помощью устройства-прототипа не учитывает локального изменения магнитных свойств материала в результате технологического процесса его изготовления. Известно, что основные конструкционные ферромагнитные материалы - стали и конструкции из них изготавливаются с применением пластического деформирования. Например:
- при прокатке из-за неравномерного деформирования слоев металла по глубине;
- при механической обработке, когда поверхностные слои подвергаются пластическому деформированию в результате воздействия режущего инструмента;
- при правке или чеканке листовых материалов;
- при сварке за счет остаточных пластических деформаций;
- при правке конструкций;
- при транспортировке за счет местного деформирования;
- при сборке конструкций;
- при снятии остаточных сварочных напряжений путем поверхностной пластической деформации.

Основной особенностью пластической деформации металлов является ее неоднородность, сопровождаемая локализацией, т.е. сосредоточение пластической деформации в отдельных определенных местах очага течения (Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. - М.: Металлургиздат, 1960. - Т.1. - С.326-333). В местах локализации пластической деформации происходит изменение магнитных свойств материала. Термическая обработка (например, после прокатки) частично уменьшает это изменение, однако сопровождается неравномерным температурным циклом различных областей материала, что в свою очередь снова приводит к изменению магнитных свойств. Известно также, что холодная деформация ферромагнитных металлов (правка, сборка) повышает коэрцетивную силу и уменьшает магнитную проницаемость (Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1984. - С.84).

В основу заявляемого изобретения поставлена задача усовершенствования способа определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов и устройства для его осуществления путем введения новых операций в способ и новых элементов и связей в устройство, благодаря чему повышается точность определения интенсивности напряжения для участков, имеющих локальное изменение магнитных свойств.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе, заключающемся в том, что устанавливают преобразователь трансформаторного типа на эталонный образец, изготовленный из того же материала, что и контролируемое изделие, ориентируют его на образце, ступенчато нагружают его в продольном направлении, намагничивают материал образца в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o и 45^o, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания после каждой ступени нагружения, определяют градуировочный коэффициент, устанавливают преобразователь на контролируемое изделие, ориентируют намагничивание материала изделия в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o и 45^o, причем намагничивание по направлениям осуществляют одновременно двумя переменными магнитными полями, различающимися по частоте и равными по напряженности, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания, отличающемся тем, что согласно предлагаемому изобретению одновременно с намагничиванием материала в направлениях 0^o и 45^o производят его дополнительное намагничивание в направлении 135^o, равное по напряженности к указанным, но отличающееся от них по частоте, и дополнительно фиксируют сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлении, перпендикулярном направлению дополнительного намагничивания в направлении 135^o, а интенсивность напряжения определяют по формуле

где σ_i - интенсивность напряжения;
n₁ - значение выходного сигнала преобразователя на контролируемом изделии от намагничивания в направлении 0^o;
n₂ - значение выходного сигнала преобразователя на контролируемом изделии от намагничивания в направлении 45^o;
n₃ - значение выходного сигнала преобразователя на контролируемом изделии от намагничивания в направлении 135^o;
n₂ ^o- значение выходного сигнала преобразователя на эталонном образце от намагничивания в направлении 45^o;
n₃ ^o - значение выходного сигнала преобразователя на эталонном образце от намагничивания в направлении 135^o;
δ_ср - среднестатистическое отклонение определения интенсивности напряжения с использованием критерия наибольших касательных напряжений;
Т - градуировочный коэффициент.

Для реализации этого способа предложено устройство, включающее магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде восьмилучевой центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, расположенных под углами 0^o, 45^o, 90^o, 135^o, на полюсах которых расположены обмотки возбуждения и измерения, причем обмотки возбуждения расположены на магнитопроводах, находящихся под углом 0^o и 45^o, и подключены к блоку питания, выполненного в виде двух переменных напряжений, различающихся по частоте, а каждая из обмоток измерения подключена через свой полосовой фильтр к соответствующему фазовому детектору, которые в свою очередь подключены к блоку обработки и измерения сигналов, кроме того, вход каждого из полосовых фильтров подключен к измерительной обмотке соответствующего магнитопровода, расположенного под углом 90^o к П-образному магнитопроводу с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику переменного напряжения, частота которого соответствует частоте данного полосового фильтра, при этом вторые входы фазовых детекторов подключены к соответствующему источнику питания.

Согласно предлагаемому изобретению устройство дополнительно снабжено обмоткой возбуждения, находящейся на магнигопроводе, расположенном под углом 135^o, и обмоткой измерения, расположенной на магнитопроводе под углом 45^o, полосовым фильтром и фазовым детектором, а блок питания снабжен дополнительным источником переменного напряжения, различным по частоте к указанным выше, причем источник переменного напряжения подключен к обмотке возбуждения и фазовому детектору, вход полосового фильтра, частота которого соответствует источнику переменного напряжения, подключен к измерительной обмотке, а выход к фазовому детектору, который подключен к блоку обработки и измерения сигналов.

Одновременное применение намагничивания материала в направлении 135^o и определение изменения намагниченности в направлении, перпендикулярном последнему, позволяет определять интенсивность напряжения с учетом локального изменения магнитных свойств путем корректировки градуировочного коэффициента посредством соотношения начальных магнитных восприимчивостей эталонного образца и локальной области измеряемого материала. Применение дополнительных возбуждающей и измерительной обмоток, источника питания, фазового детектора и полосового фильтра позволяет определить изменение начальных магнитных восприимчивостей эталонного образца и локальной области материала, которое является мерой локального изменения магнитных свойств материала.

Известно, что изменение намагниченности в направлении 90^o к направлению намагничивания имеет переменную и постоянные составляющие (авт.св. СССР N 1640558, МКИ G 01 L 1/12, 1991), тогда указанное изменение намагниченности при повороте направления намагничивания равно
n = Asin(2α+ϕ)+c, (1)
где n - изменение намагниченности в направлении 90^∧ к направлению намагничивающего поля;
А - амплитуда зависимости;
α - угол намагничивания;
ϕ - начальная фаза зависимости;
c - постоянная составляющая, равная произведению начальной магнитной восприимчивости на величину нескомпенсированного поля m_β.

Для определения указанной зависимости необходимы координаты трех точек, например n₁ при α = 0^o, n₂ при α = 45^o, n₃ при α = 135^o. Приведя полученную систему уравнений к каноническому виду и решив ее, например, методом Крамера, получим



Следовательно

Учитывая, что m_β есть величина постоянная для данного преобразователя, начальная магнитная восприимчивость пропорциональна сумме n₂ + n₃.

Известно также (см. авт.св. СССР N 1368670, МКИ G 01 L 1/12, 1988), что

где K₂ - константа магнитоупругости;
M₀ - начальная намагниченность материала от намагничивающей катушки;
υ - коэффициент Пуассона;
Е - модуль продольной упругости.

Затем учитывая, что

и решив σ_x-σ_y и τ_xy в (7) и (8) через уравнения (3) и (4), получим


а подставив (10), (11) и (9) получим

Из (5) и (6) следует, что градуировочный коэффициент Т пропорционален сумме n₂ + n₃.

Локальное изменение магнитных свойств материала можно учесть через коррекцию градуировочного коэффициента из соотношения

где Т_л - скорректированный градуировочный коэффициент;
n₂ ⁰ + n₃ ⁰ - сумма изменений намагниченности от намагничивания в направлениях 45^o и 135^o на эталонном образце;
n₂ + n₃ - сумма изменений намагниченности от намагничивания в направлениях 45^o и 135^o в локальной области изделия. Тогда

а величина интенсивности напряжения равна

или

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде восьмилучевой центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных электромагнитов; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2.

Устройство для определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов содержит магнитоупругий преобразователь 1, блок питания 2, выполненный в виде источников 3, 4 и 5 трех переменных напряжений, равных по амплитуде и различающихся по частоте f1, f2 и f3, три полосовых фильтра 6, 7, 8, три фазовых детектора 9, 10, 11 и блок обработки и измерения сигнала 12.

Магнитоупругий преобразователь 1 имеет четыре П-образных электромагнита 13, 14, 15, 16, расположенных под углами 13 - 0^o, 14 - 45^o, 15 - 90^o, 16 - 135^o. На полюсах электромагнита 13 расположена обмотка возбуждения 17, на полюсах электромагнита 15 измерительная обмотка 18, на полюсах электромагнита 14 - обмотки возбуждения 19 и измерения 20, на полюсах электромагнита 16 - обмотки измерения 21 и возбуждения 22. Возбуждающие обмотки 17, 19, 22, а также измерительные обмотки 18, 21, 20 состоят из двух секций каждая, расположены симметрично центральной части преобразователя 1 и соединены последовательно между собой.

Перед определением интенсивности напряжения возбуждающие обмотки 17, 19, 22 подключают к источникам 3, 4, 5 переменного напряжения, различающимся по частоте: частота f1 соответствует источнику 3, частота f2 - источнику 4, частота f3 - источнику 5. Полосовой фильтр 6 настраивают на частоту fl, полосовой фильтр 7 - на частоту f2, полосовой фильтр 8 - на частоту f3. Измерительные обмотки 18, 21, 20 подключают к блоку обработки и измерения сигнала 12 через полосовые фильтры 6, 7, 8 и фазовые детекторы 9, 10, 11, которые в свою очередь подключают к источникам 3, 4, 5 переменного напряжения.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Магнитоупругий преобразователь 1 устанавливают на эталонный образец с известным зазором из того же материала, что и контролируемое изделие, ориентируют преобразователь таким образом, чтобы магнитопровод 13 (угол 0^o) располагался бы перпендикулярно продольной оси образца, нагружают образец ступенчато в продольном направлении и одновременно намагничивают материал образца в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o, 45^o, 135^o (против часовой стрелки) переменными магнитными полями с частотой f1 для направления 0^o, с частотой f2 для направления 45^o и с частотой f3 для направления 135^o при помощи возбуждающих обмоток 17, 19, 22 на магнитопроводах 13, 14, 16, фиксируют значения выходного сигнала после каждой ступени нагружения в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания, при помощи обмоток измерения 18, 21, 20 и определяют величину градуировочного коэффициента по формуле

где Δ(2A)_ср - среднее приращение удвоенной амплитуды, гармонической зависимости;
S - площадь поперечного сечения образца;
ΔF - ступень нагружения.

Или же исходя из (4)

Затем устанавливают преобразователь 1 на поверхность исследуемого изделия с известным зазором, магнитопровод 13 ориентируют вдоль произвольно выбранной на изделии оси Х (например, вдоль прокатки для листовых изделий, или вдоль сварного шва для сварных изделий), одновременно намагничивают материал изделия в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o, 45^o, 135^o переменными магнитными полями с частотой f1 для направления 0^o, с частотой f2 для направления 45^o и с частотой f3 для направления 135^o при помощи возбуждающих обмоток 17, 19, 22 на магнитопроводах 13, 14, 16, фиксируют значения выходного сигнала в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания при помощи обмоток измерения 18, 21, 20, т.е. n₁, n₂, n₃. Затем определяют интенсивность напряжения по формуле (16).

В качестве примера, иллюстрирующего реализацию предлагаемого способа определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов и устройства для его реализации, ниже приведены результаты измерений интенсивности напряжения в сварном сосуде давления под воздействием гидравлического давления по предлагаемому способу, способу-прототипу и сравнение их с расчетами по теории упругости. Измерения напряжений проводились в сварном сосуде давления из стали 09Г2С диаметром 720 мм и толщиной стенки 16 мм, высота сосуда составляла 1600 мм. Давление в сосуде создавали ручным гидравлическим насом до 60 МПа.

Интенсивность напряжения по предлагаемому способу определяли с использованием преобразователя, магнитопровод которого был изготовлен путем спекания композиции из порошков никеля, железа и марганца и выполненного в виде восьмилучевой центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, расположенных под углами 0^o, 45^o, 90^o, 135^o, на полюсах которых были расположены обмотки возбуждения и измерения. В качестве источников переменного напряжения, полосовых фильтров, фазовых детекторов и частей блока обработки и измерения сигнала (выделяющих значения n₁, n₂, n₃) использовались блоки преобразования измерителя механических напряжений ИНИ-1Ц, отрегулированные на частоты 700, 900 и 1100 Гц соответственно.

Интенсивность напряжения по способу-прототипу определяли с использованием описанной выше аппаратуры за некоторыми изменениями. Блоков преобразования измерителя механических напряжений ИНИ-1Ц использовалось два, и были они настроены на частоты 700 и 900 Гц соответственно.

Интенсивность напряжения расчетным путем определяли по зависимостям



где p - давление жидкости в сосуде,
R - радиус сосуда,
h - толщина стенки сосуда.

Сравнительные результаты определения интенсивности напряжения, полученные предлагаемым способом, способом-прототипом и расчетным путем, приведены в таблице.

Таким образом, заявляемый способ и устройство позволяют повысить точность определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов.

Изобретения предназначены для использования в машиностроении, газовой промышленности для неразрушающего контроля механических напряжений. Для определения градуировочного коэффициента магнитоупругий преобразователь устанавливают на эталонный образец из материала контролируемого изделия, ориентируют, ступенчато нагружают в продольном направлении, намагничивают материал образца в направлениях 0^o, 45^o, 135^o и фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания после каждой ступени нагружения. Устанавливают преобразователь на контролируемое изделие и намагничивают материал изделия в тех же направлениях. Фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания. Для образца и для изделия намагничивание по направлениям осуществляют одновременно тремя переменными магнитными полями, различными по частоте и равными по напряженности. Интенсивность напряжения определяют по математической зависимости. Технический результат - повышение точности для участков, имеющих локальное изменение магнитных свойств. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов, заключающийся в том, что устанавливают преобразователь трансформаторного типа на эталонный образец, изготовленный из того же материала, что и контролируемое изделие, ориентируют его на образце, ступенчато нагружают его в продольном направлении, намагничивают материл образца в зоне действия преобразователя в направления 0^o и 45^o, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания после каждой степени нагружения, определяют градуировочный коэффициент, устанавливают преобразователь на контролируемое изделие, ориентируют намагничивание материала изделия в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o и 45^o, причем намагничивание по направлениям осуществляют одновременно двумя переменными магнитными полями, различающимися по частоте и равными по напряженности, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания, отличающийся тем, что одновременно с намагничиванием материала в направлениях 0^o и 45^o производят его дополнительное намагничивание в направлении 135^o полем, равным по напряженности указанным выше, но отличающимся от них по частоте, и дополнительно фиксируют сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлении, перпендикулярном направлению дополнительного намагничивания, а интенсивность напряжения определяют по формуле

где σ_i - интенсивность напряжения;
n₁ - значение выходного сигнала преобразователя на контролируемом изделии от намагничивания в направлении 0^o;
n₂ - значение выходного сигнала преобразователя на контролируемом изделии от намагничивания в направлении 45^o;
n₃ - значение выходного сигнала преобразователя на контролируемом изделии от намагничивания в направлении 135^o;
n₂ ⁰ - значение выходного сигнала преобразователя на эталонном образце от намагничивания в направлении 45^o;
n₃ ⁰ - значение выходного сигнала преобразователя на эталонном образце от намагничивания в направлении 135^o;
δ_ср - среднестатистическое отклонение определения интенсивности напряжения с использованием критерия наибольших касательных напряжений;
Т - градуировочный коэффициент. 2. Устройство для определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов, включающее магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде восьмилучевой центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, расположенных под углами 0^o, 45^o, 90^o, 135^o, на полюсах которых расположены обмотки возбуждения и измерения, причем обмотки возбуждения расположены на магнитопроводах, находящихся под углом 0^o и 45^o, и подключены к блоку питания, выполненному в виде двух источников переменных напряжений, различающихся по частоте, а каждая из обмоток измерения подключена через свой полосовой фильтр к соответствующему фазовому детектору, которые, в свою очередь, подключены к блоку обработки и измерения сигналов, кроме того, вход каждого из полосовых фильтров подключен к измерительной обмотке соответствующего магнитопровода, расположенного под углом 90^o к П-образному магнитопроводу с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику переменного напряжения, частота которого соответствует частоте данного полосового фильтра, при этом вторые входы фазовых детекторов подключены к соответствующему источнику питания, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено обмоткой возбуждения, находящейся на магнитопроводе, расположенном под углом 135^o, и обмоткой измерения, расположенной на магнитопроводе под углом 45^o, полосовым фильтром и фазовым детектором, а блок питания снабжен дополнительным источником переменного напряжения, различным по частоте к указанным выше, причем источник переменного напряжения подключен к обмотке возбуждения и фазовому детектору, вход полосового фильтра, частота которого соответствует источнику переменного напряжения, подключен к измерительной обмотке, а выход - к фазовому детектору, который подключен к блоку обработки и измерения сигналов.